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        高速鐵路橋面防水層用改性植物基乳化瀝青的研制

        2021-11-08 01:59:12趙靜存王鑫丁宇劉偉明葉德軍
        鐵道建筑 2021年10期
        關(guān)鍵詞:延度針入度防水材料

        趙靜存 王鑫 丁宇 劉偉明 葉德軍

        1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所,北京100081;2.中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司大慶工務(wù)段,黑龍江大慶163000;3.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司,北京100081

        高速鐵路橋面防水層是暴露于外部環(huán)境的結(jié)構(gòu)部位,其作用是防止雨水侵入梁體,保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)不被銹蝕[1-2]。

        我國既有線主要使用的是噴涂型防水材料。隨著列車的高速運(yùn)行和氣候變化,噴涂型防水材料龜裂、破損、剝離病害發(fā)展速度加快,甚至出現(xiàn)大面積的掀起現(xiàn)象,嚴(yán)重影響行車安全,且出現(xiàn)問題的噴涂型防水材料難以鏟除,強(qiáng)行鏟除時易損傷混凝土基體[3-5]。針對這種病害,本文提出在防水層表層攤鋪瀝青混凝土防水材料,可防止破損的防水材料卷起,并且具有防水功能。但攤鋪的瀝青混凝土顏色多為黑色,吸熱能力強(qiáng),易引起混凝土橋梁熱脹冷縮產(chǎn)生變形,影響其耐久性。針對瀝青混凝土顏色問題,本文提出一種改性植物基乳化瀝青。

        植物瀝青[6]是一種低碳、環(huán)保的可再生資源,通過添加膠粉能將其顏色調(diào)配為淺灰色,涂刷在黑色瀝青體系防水材料表層可改變?yōu)r青防水材料的顏色。但植物瀝青存在低溫環(huán)境下硬脆、高溫環(huán)境下穩(wěn)定性差的問題,難以滿足使用要求,應(yīng)作改性處理[7-11]。本文用高黏樹脂改性植物瀝青制備改性植物基乳化瀝青,并研究高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青蒸發(fā)殘留物常規(guī)性能、動力黏度、黏結(jié)性能、儲存穩(wěn)定性的影響,研究結(jié)果對高黏樹脂改性植物瀝青的應(yīng)用具有積極意義。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 主要原料

        植物瀝青(芳香烴含量30%的棕油)為工業(yè)級,由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn);高黏樹脂為工業(yè)級,由揚(yáng)子化學(xué)科技有限公司生產(chǎn);無水MgCl2為工業(yè)級,由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn);十八烷基三甲基氯化銨為工業(yè)級,由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn);甲基丙烯酸甲酯為工業(yè)級,由江蘇新越瀝青產(chǎn)業(yè)研發(fā)有限公司生產(chǎn)。

        1.2 試驗(yàn)儀器

        針入度試驗(yàn)儀選用的是由上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的SYD-2801E1 型;瀝青延度試驗(yàn)器選用的是由上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的SYD-4508G-1 型;瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)器選用的是由上海密通機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的SYD-2806F 型;瀝青動力黏度計選用的是由滄州求真儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SYD-0602型。

        1.3 改性植物基乳化瀝青的制備

        植物瀝青和高黏樹脂總質(zhì)量為100 g。試樣1#、2#、3#、4#、5#中高黏樹脂占比分別為 30%、35%、40%、45%、50%。

        將植物瀝青加入反應(yīng)釜中加熱至170 ℃,然后開始攪拌,緩慢均勻加入高黏樹脂。添加高黏樹酯過程中,攪拌罐的加熱裝置保持打開,維持此溫度恒溫攪拌均勻至沒有顆粒物質(zhì)存在。攪拌均勻狀態(tài)可采用取小樣、肉眼觀測的方法來判斷。

        植物瀝青與高黏樹脂攪拌均勻后,再與溶有無水MgCl2、十八烷基三甲基氯化銨的混合水溶液使用膠體磨剪切,添加甲基丙烯酸甲酯并攪拌均勻,制得改性植物基乳化瀝青。

        1.4 試驗(yàn)方法

        1)改性植物基乳化瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)、儲存穩(wěn)定性測試參考JTGE 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[12]。

        2)黏結(jié)強(qiáng)度性能測試參考CJJ 139—2010《城市橋梁橋面防水工程技術(shù)規(guī)程》[13]。

        1.5 材料性能

        參考公路橋梁用瀝青的性能[14],結(jié)合高鐵橋防水層的工況,提出了改性植物基乳化瀝青的性能要求,見表1。

        表1 改性植物基乳化瀝青的性能要求

        2 高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青的影響

        2.1 植物基乳化瀝青常規(guī)性能

        改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖1。

        圖1 高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青軟化點(diǎn)的影響

        由圖1可知,隨著高黏樹脂用量的增大,改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)增大;當(dāng)高黏樹脂用量到40%時,改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)為87 ℃,滿足技術(shù)要求。這是因?yàn)楦唣渲ざ却螅埸c(diǎn)高,提高了植物基乳化瀝青的耐高溫性能,擴(kuò)大了植物基乳化瀝青的使用溫度范圍,因此高黏樹脂的用量不宜小于40%。

        改性植物基乳化瀝青的針入度與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖2。

        由圖2可知,隨著高黏樹脂用量的增多,改性植物基乳化瀝青的針入度逐漸下降。這是因?yàn)楦唣渲奶砑邮垢男灾参锘榛癁r青變硬,強(qiáng)度變大,提高了改性植物基乳化瀝青抵抗變形的能力。當(dāng)高黏樹脂用量大于45%時,針入度不滿足性能要求。

        改性植物基乳化瀝青的延度與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖3。

        由圖3 可知:改性植物基乳化瀝青的延度隨著高黏樹脂用量的增加而逐漸降低;當(dāng)高黏樹脂的用量大于45%時,延度小于60 cm,高黏樹脂用量的增多增大了改性植物基乳化瀝青的脆性,降低了改性植物基乳化瀝青的塑性變形能力,在受到較大拉伸變形時容易開裂,因此高黏樹脂的用量不宜大于45%。

        2.2 植物基乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度

        改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖4。

        由圖4可知,隨著高黏樹脂用量的增多,改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大。因?yàn)殡S著高黏樹脂用量的增多,改性植物基乳化瀝青的黏度增大,黏性分子隨之增多,增強(qiáng)了分子間黏結(jié)力,因此黏結(jié)強(qiáng)度提高。當(dāng)高黏樹脂的用量達(dá)到40%時,改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度大于1.5 MPa,符合性能要求。

        2.3 植物基乳化瀝青儲存穩(wěn)定性

        改性植物基乳化瀝青儲存穩(wěn)定性與高黏樹脂用量的關(guān)系見圖5。

        圖5 高黏樹脂用量對植物基乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響

        由圖5可知,隨著高黏樹脂用量的增多,植物基乳化瀝青1 d 的儲存穩(wěn)定性由0.4%增大為0.7%,5 d 的儲存穩(wěn)定性由1.0%增大為1.5%,變化較小。這是因?yàn)楦唣渲c植物瀝青的相容性好,兩者混合后不會出現(xiàn)較多離析。

        2.4 不同溫度下改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度

        采用高黏樹脂用量為40%~45%,制備改性植物基乳化瀝青,探討其低溫黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律。

        瀝青為感溫性材料,其基本的力學(xué)參數(shù)與溫度有著重要的關(guān)系。不同溫度下改性植物基乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律見圖6。

        圖6 不同溫度下改性植物基乳化瀝青黏結(jié)強(qiáng)度的變化規(guī)律

        由圖6 可知:隨著溫度從0 ℃逐漸下降,改性植物基乳化瀝青低溫黏結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng),降至-15 ℃時黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到峰值,為1.72 MPa;其后隨著溫度的繼續(xù)下降,黏結(jié)強(qiáng)度迅速衰減。由此可以看出,一定低溫環(huán)境下,在輕度凍結(jié)及瀝青自身硬度增加的條件下,瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢。

        3 結(jié)論

        1)隨著高黏樹脂的添加,改性植物基乳化瀝青的軟化點(diǎn)升高,針入度和15 ℃延度下降,當(dāng)高黏樹脂添加量超過40%時,針入度和15 ℃延度衰減比較大。

        2)高黏樹脂的添加提高了植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度,當(dāng)高黏樹脂的添加量為35%時,改性植物基乳化瀝青的黏結(jié)強(qiáng)度大于1.5 MPa,符合性能要求。

        3)隨著高黏樹脂的添加,植物基乳化瀝青1 d 的儲存穩(wěn)定性由0.4%增大為0.7%,5 d 的儲存穩(wěn)定性由1.0%增大為1.5%,變化較小,說明高黏樹脂與植物瀝青的相容性較好。

        4)瀝青為感溫性材料,其黏結(jié)強(qiáng)度與溫度有著重要的關(guān)系。高黏樹脂用量在40%~45%時,改性植物基乳化瀝青的低溫黏結(jié)強(qiáng)度隨著溫度降低先增大后減小,在-15 ℃出現(xiàn)最大值。

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